光遗传学概述
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• 可以是天然蛋 白(如视紫红 质蛋白)，也 可以是经化学 修饰后的对光 敏感的人工改 造蛋白 • 通过转染、病 毒转导或构建 转基因动物等 方式将编码这 些视蛋白的基 因输送进目的 细胞
• 时间上的调控是 利用持续光源搭 配高速快门、快 速转换的LED或 单光子激光扫描 显微镜等进行宽 视野照射来达到 目的 • 空间上的调控是 通过选择性的照 射细胞局部的方 法实现的
ຫໍສະໝຸດ Baidu
光遗传学的应用前景
疾病
选择性激活VTA多巴胺神经元
可以极大地缓解由慢性压力引起的 抑郁样症状
抑郁症
视网膜出了问题
病因是脑细胞退 化
部分眼疾 老年痴呆症 肢体功能障碍
用相应视蛋白代替视网 膜细胞 用遗传光学的方法 提高细胞活性 植入运动神经 元的拟胚
神经损伤
用遗传光学的方法治疗疾病
L/O/G/O
Thank You!
光遗传学的定义和基本原理
细 胞 信 号 通 路 的 调 控
其一般性原理是制作嵌合体(chimera)，一方面 是脊椎动物的视紫红质，另一方面是通常的、配基 耦合的G蛋白偶联受体(GPCR)。这样组合以 后．GPCR就相当于单成分的神经调控工具。这种 II型融合蛋白称为optoXR，可用以对细胞内信号传 导过程进行光学调控，其时间分辨率足以允许应用 于自由运动小鼠行为状态下的神经元活动。运用这 种方法可以实现多巴胺受体的、5一羟色胺受体的、 肾上腺素受体的作用，从而在神经传递的调制中发 挥重要作用
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学是一种将遗
传学和光控技术结合 的新的学科门类。
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• 电极是一种常 用的膜电位监 测工具 • 也可利用各种 依赖荧光生物 感受器来检测 输出信号 • 对于生物体也 可检测行为改 变
收集输出信号，读取 结果
寻找合适的视蛋白
往受体细胞内输送视蛋白 对光信号进行时空调 基因 控
光遗传学上控制细胞功能的步骤
光遗传学的定义和基本原理
通道视紫红质 (ChR) 细菌视紫红质 (BR)
光遗传学的应用前景
分 子 生 物 学
2009年初，科研人员借助哺乳动物大脑组织里 的维甲酸类物质并利用维甲酸的信号分子在黑暗环 境火星低的特点，对活体哺乳动物体内的G蛋白偶 联受体信号通路进行了光控操作。这次试验中使用 的是脊椎动物视紫红质蛋白——G蛋白偶联受体嵌 合体蛋白，这种嵌合体蛋白可以恢复受异源G蛋白 三聚体信号通路Gs和Gq调控的细胞信号通路。随后， 又有好几个实验室用几种不同的新实验方法成功对 体外培养细胞内的小GTP酶进行了光控试验，从而 成功地用光控的方法改变了细胞的形状和运动活力。
光遗传学的应用前景
解释某些生物现象
调控哺乳动物的 行为
2005 年Nagel 等发 现被ChR2 重组的线 虫， 其肌肉壁运动神 经元和动力感觉神经 元的活性是可控的在 斑马鱼躯体感觉神经 元中的重复实验也表 明， 光激活下该神经 元的反应驱动斑马鱼 产生的游泳行为与通 常的逃避行为很类似。
在转基因小鼠中双重组ChR2 和eNpHR 后的一系列细胞神经 元（例如下丘脑分泌素细胞、 蓝斑核去甲肾上腺素激活神经 元、VTA 腹侧被盖区多巴胺神 经元、棘神经元以及类胆碱能 中间神经元）可以利用光波对 这些神经元的活性进行精确控 制； 该技术的可控性已经应用 到小鼠的睡眠与觉醒、多巴胺 上瘾机制、奖赏机制以及可卡 因依赖症等诸多方面，并取得 了突破性进展。
L/O/G/O
光遗传学
目录
1
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学的研究内容
2 3 4
光遗传学的发展
光遗传学的应用前景
光遗传学的定义和基本原理
遗传学 光学 基因工程
光遗传 学
通过基因工程技术使受体细胞产生视蛋白， 来实现对细胞的光学控制，即通过光来激活 或抑制某种细胞从而明确其功能。
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学的研究内容
作为光遗传学的重要工具，寻 找符合要求且效率高的视蛋白 研究和改造 十分重要。 各种视蛋白
研究心脏细胞 干细胞等功能
光遗传学的方法不仅可以用 来研究神经细胞，也能用来 研究其他细胞的功能。
研究神经 回路和功能
研究神经细胞的功能是控制 大脑的必经之路，另外了解 并控制其功能有望治愈多种 神经方面的疾病。
光遗传学的发展
光遗传学发展的时间轴
1971
2005
2007
2010
光遗传学的发展
光遗传学的发展
光遗传学的应用前景
光遗传学的应用范围
• 利用光遗传学技术解释某些生物现象
神经生物学
• 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行 调控
分子生物学
靶向研究不同种类细胞的生命活动和 功能
医学
改善或治愈某些因神经系统功能障 碍所引起的疾病
阳离子内流引起去 极化
视蛋白：实现光开 关的关键部分，它 充当着离子通道或 离子泵的角色 盐视紫红质 (NpHR)
质子泵，质子外流 ，引起超极化
Ⅱ型视蛋 (optoXR)
必须偶联到一种转导蛋白 上才能实现对光反应。一 般用来调控信号通路。哺 乳动物视网膜上的视紫红 质就是此类蛋白。
离子泵，氯离子内 流，引起超极化
• 时间上的调控是 利用持续光源搭 配高速快门、快 速转换的LED或 单光子激光扫描 显微镜等进行宽 视野照射来达到 目的 • 空间上的调控是 通过选择性的照 射细胞局部的方 法实现的
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光遗传学的应用前景
疾病
选择性激活VTA多巴胺神经元
可以极大地缓解由慢性压力引起的 抑郁样症状
抑郁症
视网膜出了问题
病因是脑细胞退 化
部分眼疾 老年痴呆症 肢体功能障碍
用相应视蛋白代替视网 膜细胞 用遗传光学的方法 提高细胞活性 植入运动神经 元的拟胚
神经损伤
用遗传光学的方法治疗疾病
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光遗传学的定义和基本原理
细 胞 信 号 通 路 的 调 控
其一般性原理是制作嵌合体(chimera)，一方面 是脊椎动物的视紫红质，另一方面是通常的、配基 耦合的G蛋白偶联受体(GPCR)。这样组合以 后．GPCR就相当于单成分的神经调控工具。这种 II型融合蛋白称为optoXR，可用以对细胞内信号传 导过程进行光学调控，其时间分辨率足以允许应用 于自由运动小鼠行为状态下的神经元活动。运用这 种方法可以实现多巴胺受体的、5一羟色胺受体的、 肾上腺素受体的作用，从而在神经传递的调制中发 挥重要作用
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学是一种将遗
传学和光控技术结合 的新的学科门类。
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• 电极是一种常 用的膜电位监 测工具 • 也可利用各种 依赖荧光生物 感受器来检测 输出信号 • 对于生物体也 可检测行为改 变
收集输出信号，读取 结果
寻找合适的视蛋白
往受体细胞内输送视蛋白 对光信号进行时空调 基因 控
光遗传学上控制细胞功能的步骤
光遗传学的定义和基本原理
通道视紫红质 (ChR) 细菌视紫红质 (BR)
光遗传学的应用前景
分 子 生 物 学
2009年初，科研人员借助哺乳动物大脑组织里 的维甲酸类物质并利用维甲酸的信号分子在黑暗环 境火星低的特点，对活体哺乳动物体内的G蛋白偶 联受体信号通路进行了光控操作。这次试验中使用 的是脊椎动物视紫红质蛋白——G蛋白偶联受体嵌 合体蛋白，这种嵌合体蛋白可以恢复受异源G蛋白 三聚体信号通路Gs和Gq调控的细胞信号通路。随后， 又有好几个实验室用几种不同的新实验方法成功对 体外培养细胞内的小GTP酶进行了光控试验，从而 成功地用光控的方法改变了细胞的形状和运动活力。
光遗传学的应用前景
解释某些生物现象
调控哺乳动物的 行为
2005 年Nagel 等发 现被ChR2 重组的线 虫， 其肌肉壁运动神 经元和动力感觉神经 元的活性是可控的在 斑马鱼躯体感觉神经 元中的重复实验也表 明， 光激活下该神经 元的反应驱动斑马鱼 产生的游泳行为与通 常的逃避行为很类似。
在转基因小鼠中双重组ChR2 和eNpHR 后的一系列细胞神经 元（例如下丘脑分泌素细胞、 蓝斑核去甲肾上腺素激活神经 元、VTA 腹侧被盖区多巴胺神 经元、棘神经元以及类胆碱能 中间神经元）可以利用光波对 这些神经元的活性进行精确控 制； 该技术的可控性已经应用 到小鼠的睡眠与觉醒、多巴胺 上瘾机制、奖赏机制以及可卡 因依赖症等诸多方面，并取得 了突破性进展。
L/O/G/O
光遗传学
目录
1
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学的研究内容
2 3 4
光遗传学的发展
光遗传学的应用前景
光遗传学的定义和基本原理
遗传学 光学 基因工程
光遗传 学
通过基因工程技术使受体细胞产生视蛋白， 来实现对细胞的光学控制，即通过光来激活 或抑制某种细胞从而明确其功能。
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学的研究内容
作为光遗传学的重要工具，寻 找符合要求且效率高的视蛋白 研究和改造 十分重要。 各种视蛋白
研究心脏细胞 干细胞等功能
光遗传学的方法不仅可以用 来研究神经细胞，也能用来 研究其他细胞的功能。
研究神经 回路和功能
研究神经细胞的功能是控制 大脑的必经之路，另外了解 并控制其功能有望治愈多种 神经方面的疾病。
光遗传学的发展
光遗传学发展的时间轴
1971
2005
2007
2010
光遗传学的发展
光遗传学的发展
光遗传学的应用前景
光遗传学的应用范围
• 利用光遗传学技术解释某些生物现象
神经生物学
• 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行 调控
分子生物学
靶向研究不同种类细胞的生命活动和 功能
医学
改善或治愈某些因神经系统功能障 碍所引起的疾病
阳离子内流引起去 极化
视蛋白：实现光开 关的关键部分，它 充当着离子通道或 离子泵的角色 盐视紫红质 (NpHR)
质子泵，质子外流 ，引起超极化
Ⅱ型视蛋 (optoXR)
必须偶联到一种转导蛋白 上才能实现对光反应。一 般用来调控信号通路。哺 乳动物视网膜上的视紫红 质就是此类蛋白。
离子泵，氯离子内 流，引起超极化